2----博世第三代压电控制共轨喷油系统详解

博世第三代压电控制共轨喷油系统

一、概论

从上世纪80年代起．特别是第一代共轨喷油系统引入汽车柴油机喷油系统领域以来。直喷式柴油机燃烧过程开发的理念就发生了划时代的变化：为了较大幅度地降低废气排放和燃油消耗，应尽可能采用越来越高的喷油压力。这就涉及到如何充分利用高喷油压力的潜力，其中包括提高柴油机的功率、有害物排放量和燃油经济性。而不损害其运转的稳定性和柔和性。

随着柴油机平均有效压力的提高，活塞侧压力的急剧升高使得柴油机的运转噪声明显增大，此时采用位于主喷射之前的预喷射不愧为最合适的应对措施，它可以平缓汽缸压力升高率，从而降低躁声排放。特别是随着轿车舒适性的不断提高，为了进步降低柴油机的燃烧噪声，需要不止一次的预喷射，而且预喷射的油量越来越小，当然对喷油系统的计量精度和重复性的要求就更高了。

在喷油压力继续提高和更严格的排放法规（欧洲2005年实施欧Ⅳ排放标准，北京2006年实施国Ⅲ排放标准）形势下，在主喷射前后补充附加喷射是进一步优化直喷式柴油机燃烧过程的有效途径。一方面，喷油压力进一步升高时，必须采用多次喷射使得燃烧过程始终具有柔和的压力升高率，以便进一步降低燃烧噪声另一方面，机内净化炭烟颗粒始终是直喷式柴油机燃烧过程开发的重要目标，为使缸内燃烧过程中形成的碳烟颗粒能更好地燃烧，还应附加台适的后喷射。这特别适合于发动机中低转速范围，在这些运转工况范围内喷油控制的灵活性显得尤为重要。

随着废气排放法规进一

步严格，为满足欧Ⅳ及以上的

排放法规的要求，轿车柴油机

越来越多地装用吸附式N0X和

颗粒捕集器，这又对喷油系统

提出了另一个要求：为在柴油

机运转期间实现这两种装置

的再生，以持续地保持它们的

净化功能，须在主喷射主后再

补充一部分燃油，以便为吸附

式NO X催化器还原净化NO X，

提供所需的还原剂（CO、HC）图1 发动机不同转速和扭矩工况所学的喷射次数示意图为颗粒捕集器再生提供定期烧掉累积起来的碳烟颗粒所需热量，并提高催化器和颗粒捕集器中的温度，这在中低转速区域更显得特别重要，否则就不能确保它们在该区域中每个运转工况下都能达到进行循环再生所必需的温度。

综合上述要求，喷油系统统必须具备每循环尽量多次的喷射能力，最理想的状况是：在转速低于2500/min的运转工况区最多达5次喷射，在中等转速区2次或3次喷射．而在标定转速区只需单次喷射（图1），这就要求喷油器中的控制阀必须具有很高的工作频响和控制柔性，而且对喷油计量精度和重复性提出了更高的要求。但是，电磁阀控制的喷油器因受电磁线圈的电感和磁滞回线的影响而具有较长的滞后时间，限制了其达到更高的工作频响和控制柔性。

为此，西门子及博世等公司，

相继于2000年及2003年推出了第

三代压电控制式喷油器共轨系

统，其显著特点是集成在喷油器

体中压电执行器能使喷油器比高

速电磁阀控制的喷油器更迅速的

开闭。与迄今为止最好的电磁阀

控制的喷油系统相比，同在

160MPa系统压力下，这种第三代

压电控制式喷油器共轨系统能降

低排放有害物高达约20%，而且图2 Bosch第三代压电共轨喷油系统示意图

其新颖的调节功能有助于提高喷油量计量精度，甚至用在重型车，不采用排气后处理装置，也可能达到欧Ⅳ排放标准，同时能提高功率约5%，降低油耗3%左右，降低噪音约3dB（A）。下面主要介绍Bosch公司的压电式喷油器共轨系统。

二、第三代压电控制共轨喷油系统简介

图2及图3分别表示了Bosch公司第三代压电共轨喷油系统及其用于一种V6

柴油机的系统布置图。

低压电动输油泵将燃油输送给具有进油计量功能的高压油泵，其中的分配单元将进入的燃油分成两路：一路供给泵有元件，另一路用于冷却。高压油泵的最大供油压力可达180MPa，并将其输入共轨。共轨上安装了共轨压力传感器，并通过安装在高压泵山的进油计量电磁阀调节共轨压力，共轨上还安装了压力限压阀（机械式），用于限制共轨的最高压力。

图3 V6柴油机用第三代压电共轨喷油系统布置图

高压燃油经过共轨送往压电喷油器，它由控制端元根据运行工况来控制，能精确的调节喷油正时、喷油量及喷油规律。

1.泵油量可调式高压油泵

第三代压电控制喷油器共轨系统采用了CP3.X型泵油量可调式高压油泵，为

单缸径向柱塞式，CR/CP3S3高压泵的外形如图4所示。其工作原理与第二代共轨系统用高压油泵相同。

图4 CR/CP3S3高压油泵

CP3.X高压油泵有各种不同的结构尺寸，能满足不同排量的发动机需要。通过不同的壳体尺寸、柱塞直径和行程的分级来改变泵油量以适应不同机型的需要。同样，将输油泵分为电动输油泵和集成在高压泵内的整体式输油泵，以供选择，并可根据发动机的需要，选用不同形式的联轴节。

2.高压油管、调压阀和共轨总成

高强度模块式激光焊接共轨的结构方案基本上能满足未来的要求，其表面涂层不含Cr6+，已满足2007年开始实施的法规要求。为了检测共轨压力，在共轨的两端轴向分别装有最新一代的压力传感器和共轨压力限制阀（图5）。共轨的容积必须足够大，以便补偿压力的波动，将其对喷油的影响降至最小程度；另一方面，共轨容积应足够小，以便起动时迅速建立轨压。在设计阶段利用AMESIM程序进行模拟计算，使其达到最佳程度。

图5 CRS3.0系统的共轨

三、压电控制式喷油器

1.逆压电效应

实际上．汽车上运用压电技术并非什么新鲜的事情。下车时提醒司机关闭灯光的蜂鸣器就是一个典型的应用实例。其基础原理可以追溯到1880年库里(Curie)兄弟的发现，当时他们观察到某些晶体一旦受到压力或敲击时就会产生一个电压，他们将观察到的这种现象按照希腊宇“Piezein”（压）命名为压电（Piezo）效应。1881年研究人员首次发现这种效应也可以逆向起作用：在一个合适的晶体上施加一个电压．这样就会引起晶体晶格的变形，从而产生一种线性位移。这种逆压电效应就成为了压电共轨喷油系统的技术基础。

2.压电执行器及其特点

一个压电元件的晶体晶格的变形是非常微小的，以至于对作为执行器使用提出了巨大的挑战。压电薄层技术对压电共轨喷油器的压电执行器的开发十分重要，该项技术直到20世纪70年代才趋于成熟。为了使压电执行器获得足够的位移（行程），将很多片陶瓷薄片烧结威一个长方形六面体，因此喷油器中30mm长的压电元件由300多层厚度为80μm的压电陶瓷薄片组成（图6）。这种多层压电元件在汽车应用场合（温度一40～+140℃，高振动）以预装配执行器模块装在喷油器中，工作行程大约为40μm。经过多年的开发工作，研究人员制作出了一种专用陶瓷用于执行器。

图6 多层压电执行器的结构示意图

这种专用陶瓷首先要解决一个问题：高温引起执行器中晶体晶格的极化及其由此使压电元件变形位移缩小，从而使得压电执行器的工作行程减小。因此，对于用于喷油器场台的压电材料性能必须具有高的库里点（Curie—Punkt），而具备这种性能的陶瓷又偏偏只有较弱的压电效应。现在所应用的执行器由一种采用多层技术的PZT（piezo electric transition）压电跃变陶瓷组成．这种陶瓷材料是一种铅一锆一钛混合物，而在烧结工艺过程中插入的电极则由银一钯合金组成。为了开发这种机电一体化的元件，必须要综合有关化学、电子学和物理学等方面的技术秘诀。另一个挑战是要开发出一种可精确控制的制造工艺方法．以防止在烧结时单片陶瓷层之间接触部位的扩散。

与电磁阀执行器相比，压电执行器首先具有快速响应性的特点。作为机电一体化的元件，它就好象是一个多层陶瓷电容器，在电压下立即就能充电，在0.1ms 内就会发生晶格变形，比任何其他众所周知的可应用的物理现象都要来得快。与电磁阀相比（见表1），喷油器中的压电执行器具备以下特点：

表1 电磁阀控制和压电控制喷油器性能比较

②开关非常迅速而精确；

③可重复性非常好i

④无结构设计所造成的诸如间隙之类的误差；

⑤在使用寿命期内性能稳定；

⑥压电模块可以预生产和预检验的执行器方式供货；

其开发的难点是：

①不同材料的温度补偿，并集成在一个可预生产的压电执行器模块中；

②能量的吸收和反馈要设计的能量消耗最少；

③针对压电执行器优化电子控制单元、控制策略和可靠性方案。

3.压电喷油器的基本工作原理

图7显示出了压电控制式喷油器的结构。喷嘴针阀是由一个伺服阀来控制的，喷油量则由其控制持续期决定。以图8示说明其工作原理。实现压电喷油器功能的主要组件是压电执行器、液压接杆、伺服阀和喷嘴。压电执行器在非工作状态时处于原始位置，伺服阀关闭。高压范围和低压范围相互隔断。此时，液压接杆补偿可能存在（例如由干热膨胀所引起的）间隙，喷嘴借助于紧接着控制室的共轨压力保持关闭状态。压电执行器起作用时就将伺服阀打开，从而使控制室中的压力降低．喷嘴开启。若伺服阀关闭，控制室中的压力随之增大，喷嘴针阀也随之关闭。

图7 压电控制喷油器示意图

这种压电喷油器被设计成没有机械力通过推杆作用在喷嘴针阀上，因此运动质量和摩擦大大降低，并且喷油器的稳定性和喷油误差比通常的电磁阀控制喷油系统明且改善。伺服阀与喷嘴针阀的紧密连接使得针阀对压电执行器的动作能直接作出迅速的反应，控制始点与喷油始点之间的延迟时间总共约150 μs，这样就能获得高的针阀速度和重复性较好的最小喷油量。

由于压电执行器集成在喷油器体中，因此取消了电磁瞬控制喷油器中将喷嘴针阀运动传递到控制室的控制柱塞。与常规的电磁阀控制的喷油器相比．这种压电喷油器的液压传递路线从152mm缩短至42mm，减少了2／3。最大的喷嘴针阀运动速度可达1.3 m/s，要比其他所生产的电磁阀式共轨喷油系统约高一倍。

将许多功能高度集成在最小的空间内，必须开发新的喷嘴模块和阀模块的各种不同的功能结台在一起。如图9所示。

此外，从原理上讲．这种压电喷油器没有从高压油路向低压油路泄漏的部位。这样就提高了整个系统的液压效率。同时，这种压电喷油系统还能实现很短的喷

射间隔。图10示范性地示出了每循环5次喷射的实例，其喷射次数和时刻能与发动机工况相匹配。

图8 压电共轨喷油器工作原理示意图

图9 喷嘴模块的工作原理图

图10 压电喷油器柔性控制实例每循环5次喷射示意图

由于压电共轨喷油系统工作的压力高达180MPa，因此压电喷油器对零件表

面质量和几何精度等方面的机械性能提出了极高的耍求。其最小的喷孔直径可达到0.12mm，并有意加工成圆锥形，喷孔内侧进孔处还要采用液力研磨（液力冲蚀）工艺倒成圆角。所有的喷嘴针阀体孔直径都经气动量仪测量，针阀直径则按测得的喷嘴针阀体孔直径尺寸进行自动配磨，确保该对精密偶件的配合间隙保持在大约2 μm。正因为针阀体和针阀偶件必须以如此小的公差来相互配对，因此机械加工的要求十分苛刻。毛坯要在23℃的恒温车间内进行加工，喷嘴针阀体内孔的表面粗糙度要求达到Rz=0 6μm，并采用激光干涉仪进行无缺陷检验。确保喷嘴针阀体孔和针阀几何精度的正确性和一致性，从而使针阀在针阀体孔中的自由滑动达到最理想的状态。为了证实加工质量完全一致，另外还要进行喷射油束形状检验来控制最终的实际应用质量。喷油器的最后装配则要求在净化室内进行，因为公差极其小，并必须确保性能的高可靠性，因此即使50 μm大小的微粒就会妨害喷油器的正常功能，尤其是200μm大小以上的微粒决不允许进入喷油器。从功能和可靠性观点出发，压电共轨喷油系统对高压零件的清洁度的要求比通常行程控制的喷油系统更高。因此除了喷油器的装配之外最终检验也要进一步实现自动化，这是确保产品质量致性的基础。

4.压电执行器特性

为了能够最佳地利用压电喷油器中压电执行器的高动态特性，必须遵循严格的设计规范。

压电执行器的机械特性可用如图11的力~行程图来表示。为了描述其特性，先解释空行程和闭锁力这两个特性参数的含义：空行程是指充电状态下不产生力时的行程，而闭锁力则指不产生行程时的最大力。根据结构形式和所使用的压电陶瓷材料的不同，他们分别处于几毫米和几千牛顿范围内。

图11 压电执行器结构原理及其力~形成图

应用在喷油阀上，执行器必须达到各种不同的开启位置，也就是各种不同的行程和力的组合。具有传动比的转换器将压电执行器的行程放大，其结果由于能量的原因会使理论上最大可能的力减小同样的系数，为顾及到动态运行，还应考虑到系统总刚度也会降低。

压电执行器能产生的闭锁力F AB的线性近似值与有效横断面积成正比；而空行程较精确的近似值与压电执行器的有效长度即片数成正比。雅典执行器的电压与形成的线性关系具有较准确的近似值，实际上压电系数取决于电场强度亦即所施加的电压。

按照表2内的公式(1)，压电执行器闭锁力与行程成近似的线性关系。为了尽量减少能量损耗，必须使闭锁力和空行程尽可能最小。此外，所需要的能量还与材料的特性参数有关，因此要求阀接通的行程较小，所需的液压力也尽可能小。

在实际情况下，转换器的刚度C K，会降低执行器阀端可用的闭锁力F VB。公式(2)示出了阀作用力Fv与液压传动比i的关系。阀端闭锁力F VB及其理论上可能的最大值分别可由公式(3)和(4)计算。

表2 执行器内各力的计算公式表

四、新的软件功能

为了进一步改善压电共轨喷油系统的高精度和确保汽车的使用寿命，使用了新的控制软件功能。

1.喷油器的油量修正（IMA）和电压修正（ISA）

为了进行喷油器油量修正，在喷油器制造过程中对每个喷油器都要采集很多测量数据，并以数据点阵编码的形式标示在喷油器上；对于压电喷油器，还要附加上有关喷油器被堵塞后行程的信息。这些信息在汽车制造过程中都被输入电控单元，在发动机运转过程中这些数值被用来补偿计量和电路方面的偏差。

2.压力波修正（DWK）

原则上，在所有的共轨喷油系统中燃油喷射总会引起压力波，当喷射间隔变化时，这种压力振动会延迟喷射而影响喷油量。延迟喷射所引起的误差与喷入的油量、喷射间隔、共轨压力和燃油温度有关，电控单元考虑到这些参数，用一个合适的补偿算法计算出一个修正量。

3.预喷射油量的调节

可靠地控制很小的预喷射油量对同时达到舒适性和排放目标具有特别的意义。为此，在博世公司第三代压电共轨喷油系统中采用了一种实际功率调节方法，与压力波修正一起来修正预喷射油量。

在汽车加速时，针对性地将某个小油量喷入汽缸，通过转速传感器可探测到由此相应产生的扭矩提升。显然，这种驾驶者感觉不到的扭矩提升与喷入的燃油量有关，学习算法确定这种预喷射油量的最小变化量，并相应地修正所有预喷射

的控制持续期。

4.λ调节

与预喷射油量的调节一样，同时调节总喷油量和进气空气质量的λ调节同样具有重要意义，无论是喷油量还是进气空气质量的误差都会导致混合汽的变化，从而影响到废气排放。

为了进行补偿，用一个宽带λ传感器来检测废气中的氧分压，由此就能反算出空燃比λ。由于汽车加速时λ传感器用大气中的氧分压来标定，因此检测的精度较高。专用的学习和调节方法确保在废气排放过程中重要的运行工况范围内调节到经使用后所给定的空燃比。其匹配过程极其迅速，以至于第一个运行循环以后就可以使用到学习值。

五、电控单元

第三代压电共轨喷油系统的电控单元以用于柴油机控制的电控单元平台为基础，控制和调节压电喷油器所需的所有软硬件功能都已重新开发，并集成在现有的电控单元平台上，同时模块式的软件设计允许用压电特有的功能替代电磁阀的功能，这些功能都被安装在电控单元硬件上。为了胜任高的功能要求，那些计时严格的功能被安装在一个协同处理器和一个智能驱动级功能块上。

压电驱动级的功率放大级（图12）基本上由3部分组成：

①带有直流／直流变压器和蓄能器的能量单元；

②带有变压器部件和驱动器集成电路的充放电单元；

③带有驱动器集成电路的汽缸选择单元。

图12 压电执行器驱动级示意图

直流／直流变压器用于提供必需的高电压。出于节能的缘故，在放电过程中压电执行器的能量被返回到蓄能器中。这样就能使变压器的结构尺寸非常紧凑。压电驱动级的模块化设计使其有可能广泛应用于3～8缸柴油机。

六、第三代压电共轨喷油系统的发动机试验结果

压电共轨喷油系统的最初开发目标是要大大地改善系统的整体性能。在相同的系统压力（如160MPa）下，电磁阀系统的全负荷特性可与压电系统相比，这

两种系统在整个转速范围内都能获得丰满的扭矩曲线，但是在排放重要的部分负荷范围内，新的压电技术就显示出其潜力来了。

即使用电磁阀系统达到一个非常好的水平，但是与之相比，由于压电喷油器的喷油曲线优化，预喷射油量减小，在保持低噪声水平的同时，微粒和NOx排放量也能降低约13～18％（图13）。由于运动质量减小，液压控制链缩短，预喷射油量在必要时能够减小到小于1mm3。

图13 压电喷油器降低排放和噪音的潜力示意图

由于应用第三代压电共轨喷油系统能大大扩展调节燃烧过程的自由度，将优化的焦点转移到有利于降低噪声水平上。由于应用了两次预喷射，中等负荷时的噪声可降3dB(A)。

根据所选择的燃烧过程，后喷射为减少颗粒排放提供了很大的可能性。在后喷射相位和油量方面为柴油机开发人员提供了新的自由度。这就允许在排放、噪声和燃油耗之间达到最佳的平衡，例如根据运行工况通过后喷射颗粒排放最多能降低35％。为了满足未来各种不同排气后处理方案对喷油系统的要求，第三代压电共轨喷油系统能够在膨胀冲程的不同相位进行后喷射，这样一方面能在燃烧进行中就为可能存在的颗粒过滤器的再生准备好热量，另一方面同样也能为存储式NOx催化器提供所必需的CO峰值。

7.结束语

第三代压电共轨喷油系统将压电执行器集成在喷油器体中，实现了柴油共轨喷射技术领域内的一次技术飞跃。这种压电控制式喷油器使喷嘴针阀的最高速度能达到1.3m/s，其优异的性能为直喷式柴油机的开发提供了更大的自由度。泵油量可调式高压泵的结构紧凑而高效，电控单元附加的软件修正功能确保系统达到很小的误差，大大提高了喷油量的计量精度。

第三代压电共轨喷油系统可能使重车型不采用排气后处理装置就能达到欧lV排放标准，充分显示出其优异的实际工作能力。

为了满足欧洲和美国可能进一步严格的排放标准要求，博世公司已经在致力于开发更新一代的共轨喷油系统，其系统压力可进一步提高到180MPa甚至200MPa以上，以进一步提高柴油轿车的魅力。